磁窑沟煤矿11103工作面过构造压力分析及顶板控制

王瑞文

（山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

在矿井的建设和生产中，工作面往往会遇到断层破碎带、褶曲和火成岩侵入等构造的不良地质段，其中断层破碎带最为常见。当综采工作面过断层构造时，由于断层破碎带自身具有低强度、易变形、透水性大和抗水性差的特征，并且受到矿山压力和开采扰动的影响，断层上下盘附近顶板煤岩体出现破碎现象。随着工作面的推进，顶板局部范围内形成围岩松动圈，围岩自稳能力进一步降低，可能会出现冒顶和煤壁片帮的问题，甚至造成支架上方空顶，引起支架歪斜或压死的现象，破碎顶板若得不到有效地管理和控制，不仅加大了工作面移架难度，而且对工作环境的安全性造成严重威胁。因此，本文以磁窑沟煤矿11103工作面为例，对工作面过断层破碎带期间顶板控制方案进行设计，避免在回采过程中出现顶板安全事故。

1 概 况

磁窑沟煤矿11103工作面地处黄土高原干湿过渡带，地表为山西西北部黄土高原中—低山区地形，地表冲刷沟较多。该工作面长179 m，推进长1 202 m，煤层平均倾角为4°，层内0.35 m夹矸，上部平均煤厚约为1.65 m、下部平均煤厚约为2.3 m，总体平均厚度为4.3 m。煤层结构简单，但煤层厚度变化比较大。

11103工作面形成后，对其地质构造情况进行了观测与分析，所揭露的地质构造均为断层，如：距切眼155 m处有断距为1.2 m的正断层，距切眼393～486 m处有断距为2.0 m的正断层，部分断层位置揭露了泥岩，未见其他类型的构造。由于断层破碎带的存在，使得工作面液压支架出现不同程度的歪斜甚至压死现象，顶板局部范围出现矸石冒落和冒顶。基于此，本文对该工作面顶板破坏的机理进行分析，为顶板的控制方案提供理论基础。

2 顶板破坏机理分析

11103工作面基本顶为中砂岩（原10-2煤采空区），厚度3.8～5.2 m，受采空区垮落影响，岩性较破碎；直接顶为泥岩，平均厚度为5.8 m，节理裂隙发育，层状结构易冒落。当工作面过断层期间，由于断层破碎带自身的强度低、透水性大等特征，且受到断层扰动的影响，地质条件发生急剧变化，顶板围岩裂隙极度发育，原有的支护方式难以对工作面上方软弱顶板的变形起到控制，最终因悬臂梁的破断发生断层局部失稳，引发冒顶事故。为便于研究，对该区域的正断层进行简化，得到的模型如图1所示。

图1 正断层简化示意Fig.1 Simplified diagram of normal fault

该区域的断层走向和煤层走向一致，且煤岩是均质连续弹性体。由于断层引起了比较大的水平构造应力，工作面处于一个不稳定的状态，所以现有的方案已无法满足工作面正常推进的要求，需对11103工作面断层区域的顶板控制技术进行设计。

3 顶板控制技术措施

由于11103工作面上部为原10-2煤采空区，顶底板及煤层围岩强度较低，随着工作面的推进，当遇到断层构造区域时，断层上下盘附近的围岩强度进一步降低，顶板煤岩体出现破碎现象，局部范围出现煤壁片帮和冒顶，严重影响工作面的安全生产。因此，在作业过程中，应采用注浆加固、加强支架管理和对初撑力校核等技术措施，对顶板进行控制，同时采取其他辅助措施来提高围岩的整体强度，避免在回采过程中出现顶板安全事故。

3.1 初撑力校核

工作面顶板支护强度过大会造成液压支架的浪费，支护强度过小则会因支护力不足而发生顶板垮落或者冒顶事故，因此必须对顶板的支护强度进行估算，保证液压支架初撑力达标，支护有效。工作阻力的计算公式如下：

式中：n为安全系数，n取1.1；LK为顶梁长度；LP为梁端距；B为架宽；η1为支护效率，取0.95；η2为安全阀波动系数，取0.9；B为支架支护的顶板直接压强，取740 kPa。

根据磁窑沟煤矿相关煤岩力学参数，LK=4.34 m，L p=0.461 m，B=1.5 m。经计算，支护阻力为6 495 kN。考虑到将来随着采深的加大和工作面构造等情况，留一定富裕系数，因此工作阻力取8 000 kN。支架初撑力为支护阻力的80%比较适宜，因此确定初撑力不得低于6 400 kN。

3.2 注浆加固技术

超前注浆加固技术是指利用注浆设备将浆液注入工作面顶板深部微裂隙带中，将破碎的煤岩体黏结组成树脂胶结体，从而改善围岩整体性和自承能力，提高煤岩体的整体强度，降低了支护成本，提高了支护效果。

鉴于11103工作面采用的锚杆+锚网+锚索组合的支护方式，施工工艺繁琐，支护工作量大，对于断层构造区域的支护效果很不理想，所以利用复合气泵将马丽散树脂和催化剂注入裂隙中，对11103工作面破碎的顶板进行超前加固处理，在很短的时间内抗压强度大于20 MPa，遇水（掺水）会产生关联反应发生膨胀，在膨胀力作用下马丽散将充满所有裂缝，抗压强度达25～35 MPa，减轻了工人的劳动强度，提高了该工作面断层破碎带岩层的承载能力。

3.3 加强支架管理

采煤机过后应及时跟机移架（滞后采煤机前滚筒3架），对于煤壁片帮严重的区域，则需要拉超前架和采用擦顶移架方式进行拉架，并且将支架前梁顶在工作面煤壁上，保证支架支撑状态良好，实现超前支护，确保支架能给予顶板和煤壁有效支护作用，提高支架对煤壁的初撑力，预防煤壁片帮。

3.4 辅助措施

（1）调整工作面工程质量。由于工作面局部范围出现的空顶现象，在支架受力不均匀情况下，导致支架歪斜偏移预定位置，可采取工字钢梁使支架与顶板接触，同时对底板进行混凝土施工，确保顶底板平整，保证支护受力均衡，预防支架出现陷底现象。

（2）煤机缓慢通行。当采煤机通过顶板破碎带或构造带等异常区域时，机器的运行会对顶板和煤壁造成影响，为此需要采煤机在割煤过程中缓慢通过，必要时严格控制采高，适当减少切割深度，减少对顶板的震动。

（3）及时打开护帮。生产过程中，工作面因各种因素影响而停机，且停机时间超过10 min时，及时打开煤机停放段外所有支架护帮板，且二级护帮板必须紧贴煤壁，充分发挥护帮板的作用，防止片网。

4 应用效果

11103工作面布置有普通支架和过渡支架，通过安装抗震压力表对支架的工作阻力进行实时监测，记录的数据如图2所示。

图2 液压支架工作阻力分布Fig.2 Working resistance distribution of hydraulic support

由图2可以看出，支架的工作阻力观测值平均为27 MPa，26.0～34.0 MPa的工作阻力占70.7%，有53.1%的工作阻力大于30 MPa。这表明支架的工作阻力有效发挥程度较高，工作面顶板未出现压力突然增大这种冲击矿压或者压架风险，确保了煤壁和顶板的稳定性。同时，在实施上述顶板控制措施后，采煤机的割煤效率显著提高，说明该工作面的煤壁和顶板得到有效控制，以此实现开采工作面破碎顶板安全生产，为煤矿企业带来了较大的经济效益。

5 结 论

（1）根据磁窑沟煤矿11103工作面的特殊地质条件，通过分析因断层破碎带而导致的顶板变形和下沉的问题，结合顶板破坏的机理，将该区域的断层进行简化，为工作面顶板的控制技术提供理论基础。

（2）通过理论分析，对现场原有液压支架的初撑力进行校核，初撑力不得低于6 400 kN，同时采用注浆加固、加强支架管理及其他辅助措施对破碎顶板的围岩进行控制，改善围岩整体性和自承能力，实现开采工作面破碎顶板安全生产。

（3）此次对11103工作面过断层破碎带分析和顶板控制技术的研究，有53.1%的工作阻力大于30 MPa，这说明液压支架的工作阻力发挥高效，确保了工作面顶板的稳定性，其他辅助措施也满足了企业的生产要求，避免在回采过程中出现顶板安全事故。